本申请要求2017年1月12日在韩国知识产权局提交的韩国专利申请no.10-2017-0005522的优先权和权益，其全部内容通过引用并入在此。
本发明涉及用于确定组成多气体的各个气体的浓度和压强的方法。
背景技术：
已经公开了一种利用超声波来计算由已知的多种气体组分组成的多气体的浓度的方法。通过在充满多气体的空间中产生超声波，并且检测被反射的超声波，以及计算发送和接收超声波之间的飞行时间(tof)，能够确定多气体中的各个气体的浓度。
然而，在常规方法中，通过复杂的计算来计算多气体中的各个气体的浓度，存在着无法同时确定各个气体的压强的限制。此外，虽然各个气体的浓度受到其压强的影响，但是常规方法在未考虑压强的情况下计算浓度，所以难以计算精确的浓度。
技术实现要素：
技术问题
本发明致力于提供一种用于确定组成多气体的各个气体的浓度和压强的方法，该方法能够反映压强对于浓度的影响。
技术方案
根据本发明的示例实施例，一种使用超声波的发射和接收来确定组成多气体的各个气体的浓度和压强的方法，包括：利用发射的超声波的波形和接收到的超声波的波形，对于组成充满在测量空间中的多气体的各个气体之中的目标对应气体，测量在参考浓度、参考温度和参考压强下的参考超声波飞行时间；在目标对应气体的浓度、温度和压强是参数的状态下，在多个浓度、温度和压强下测量超声波飞行时间；获得包括超声波飞行时间变化值的超声波飞行时间表，其中超声波飞行时间变化值是根据浓度、温度和压强的参数而变化的参考超声波飞行时间与测量到的超声波飞行时间之间的差值；获得超声波振幅表，该超声波振幅表包括在目标对应气体的浓度、温度和压强是参数的状态下，在多个浓度、多个温度和多个压强下接收到的预定顺序的超声波波形的波形的超声波振幅值；以及基于对于超声波飞行时间变化值和超声波振幅值执行温度补偿，来计算目标气体的浓度和压强。
目标气体的浓度和压强的计算包括：获得超声波飞行时间的温度补偿方程，其使得多个温度下的超声波飞行时间变化值变为参考温度下的超声波飞行时间变化值；获得超声波振幅的温度补偿方程，其使得多个温度下的超声波振幅值变为参考温度下的超声波振幅值；通过分别将在任意测量温度下所测量的超声波飞行时间变化值和在任意温度下所测量的超声波振幅值代入超声波飞行变化值的温度补偿函数和超声波振幅的温度补偿函数，分别将同样的值转换为参考温度下的超声波飞行时间变化值和超声波振幅值；以及使用参考温度下的超声波飞行时间变化值和参考温度下的超声波振幅值，通过非线性方程来计算目标气体的浓度和压强。
有益效果
根据本发明，由于考虑了压强对于浓度的影响，能够精确地确定组成多气体的气体的浓度和压强。
附图说明
图1示出实验设备的示例，该实验设备能够执行根据本发明的实施例的用于确定多气体的各个气体的浓度和压强的方法。
图2示出从实验设备的示波器输出的接收到的超声波的波形。
图3是用于说明利用接收到的超声波波形中预定顺序的波形的振幅来获取超声波振幅表的过程的示意图。
图4是用于说明针对超声波飞行时间值和超声波振幅值的温度校准过程的示意图。
图5是用于说明确定超声波飞行时间变化值的温度校准方程的过程的示意图。
图6是用于说明确定超声波振幅值的温度校准方程的过程的示意图。
图7示出在参考温度下绘制的超声波飞行时间变化值的曲面的示例。
图8示出在参考温度下绘制的超声波振幅值的曲面的示例。
图9是通过根据本发明的实施例的超声波飞行时间变化值的温度校准方程和超声波振幅值的温度校准方程来示意性示出超声波飞行时间变化值和超声波振幅值的示意图。
图10是根据本发明的实施例的用于确定多气体的各个气体的浓度和压强的方法的示意流程图。
具体实施方式
下面，将参考附图来描述本发明的实施例。
根据本发明的实施例的用于确定多气体的各个气体的浓度和压强的方法使用发射和接收超声波来确定组成多气体的各个气体的浓度和压强。
参考图1，可以使用包括如下设备的实验装置来执行用于确定多气体的各个气体的浓度和压强的方法：该设备用于向充满多气体的气体腔室中提供多种气体。例如，多气体可以是包括氧气和氮气的二元气体，并且将描述多气体是包括氧气和氮气的二元气体的示例。
例如，参考图1，实验装置可以包括分别包含氧气和氮气的氧气箱11和氮气箱12。可以向氧气箱16和氮气箱17的输出通道分别提供气压调节器16和气压调节器17，该气压调节器16和气压调节器17分别调节所提供的氧气和所提供的氮气的压强。此外，压强表21和压强表22分别检测通过气压调节器16和气压调节器17的氧气和氮气的压强。此外，可以提供分别调节氧气和氮气的流量的流量调节阀23和流量调节阀24，以及分别检测通过流量调节阀23和流量调节阀24的氧气和氮气的流量的流量计。已经通过流量计25和流量计26的氧气和氮气分别通过检查阀27和检查阀28，然后被提供给混合气体箱29。从混合气体箱29排出的混合气体经由流量调节30和流量计31提供给气体腔室10。
此时，可以提供如下的气体浓度检测器32，其用于检测组成向气体腔室10提供的多气体的特定气体(例如，氧气)的浓度。另外，热交换器33用于与提供到气体腔室10的气体进行热交换，从而将气体的温度调节到期望温度。
超声波传感器单元40可以设置在气体腔室10中。超声波传感器单元40可以包括产生并且发射超声波的超声波发射器，以及接收经反射后返回的超声波的超声波接收器。另外，超声波传感器单元40可以包括用于检测气体腔室10中的气体温度的温度传感器。而且，可以设置用于检测气体腔室10中的气体的压强的压强表34。此外，泵19使得气体腔室10中的气体排出从而形成负压。
此外，可以设置电源设备13、用于计算的计算机18、示波器20。
超声波传感器单元40的超声波发射器可以包括从外部接收脉冲电能以经历超声振动从而产生超声波的超声波换能器，并且超声波接收器可以是如下的传感器：接收从超声波发射器发射并且通过气体腔室的内壁或气体腔室内的反射板进行反射之后返回的超声波，并且输出对应的电信号。此时，超声波接收器的输出电信号可以输入到示波器20中，并且示波器20可以输出对应于电信号的波形，其中的电信号与超声波接收器接收到的超声波的物理信号对应。示出被输入到示波器20中的超声波波形的示例。
首先，将参考图10大致描述根据本发明的实施例的用于确定多气体的各个气体的浓度和压强的方法。
在步骤s11，对于组成充满在测量空间中的多气体的各种气体之中的目标对应气体，在参考浓度、参考温度和参考压强下，测量参考超声波飞行时间。在目标对应气体的浓度、温度和压强是参数的状态下，在多个浓度、温度和压强下测量超声飞行时间。然后，在步骤s13，获取由超声波飞行时间变化值组成的超声波飞行时间表，其中的超声波飞行时间变化值是步骤s11测量的参考超声波飞行时间与在步骤s12测量的超声波飞行时间之间的差值。此外，在步骤s14，获得由预定顺序的超声波波形的振幅组成的超声波振幅表，在目标对应气体的浓度、温度和压强是参数的状态下的多个浓度、温度和压强下接收到其中的预定顺序的超声波波形。
随后，对超声波飞行时间变化值和超声波振幅值分别执行温度补偿，并且基于这些值来确定目标气体的浓度和压强。具体地，在步骤s15，获得超声波飞行时间温度补偿方程，该方程将多个温度的超声波飞行时间变化值转变为参考温度下的超声波飞行时间变化值。同样，在步骤s16，获得超声波振幅温度补偿方程，该方程将多个温度的超声波振幅值转换为参考温度下的超声波振幅值。随后，在步骤s17，将在任意测量温度下测量的超声波飞行时间变化值和在任意测量温度下测量的超声波振幅值分别用于超声波飞行时间温度补偿方程和超声波振幅温度方程，从而转换为参考温度下的超声波飞行时间改变值和超声波振幅值。随后，在步骤s18，使用参考温度下的超声波飞行时间变化值和参考温度下的超声波振幅值，通过非线性方程来计算目标气体的浓度和压强。
以下，将详细描述根据本发明的实施例的用于确定多气体的各个气体的浓度和压强的方法。
首先，对于组成多气体的各种气体之中的目标对应气体，测量在参考浓度、参考温度和参考压强下的参考超声波飞行时间。也就是，参考超声波飞行时间是在参考条件下从超声波发射器发射出的超声波返回到超声波接收器所需的时间。例如，使用示波器的发射超声波波形和接收超声波波形，能够测量超声波的发射时间点和接收时间点之间的差值的超声波飞行时间，此时，参考浓度可以是20％，参考温度可以是293k，参考压强可以是1大气压。
随后，在目标对应气体的浓度、温度和压强是参数的状态下，在多个浓度、多个温度和多个压强下测量超声波飞行时间。此时，通过在多个浓度、多个温度和多个压强下进行多次测量来获得所测量的超声波飞行时间。例如，在针对五个浓度、五个温度和五个压强来执行测量的情况下，执行75次测量，因此获得75个测量到的超声波飞行时间。
随后，获得由超声波飞行时间变化值δtof组成的超声波飞行时间表，其中的超声波飞行时间变化值δtof是参考超声波飞行时间和测量超声波飞行时间之间的差值。也就是说，获取超声波飞行时间表，并且该超声波飞行时间表包括参考超声波飞行时间与在多个浓度、多个温度和多个压强下测量的超声波飞行时间之间的差值。
以与获取超声波飞行时间表相似的方式来获得超声波振幅表。也就是说，获得超声波振幅表，该表由在目标对应气体的浓度、温度和压强是参数的状态下，在多个浓度、多个温度和多个压强下接收到的超声波的预定顺序波形的波的超声波振幅amp组成。此时，如图3所示，超声波振幅表能够由接收到的超声波的第n个超声波的振幅制成。也就是说，超声波振幅表可以包括在多个浓度、温度和压强下接收到的超声波的第n个波的振幅数据。
在本发明的实施例中，为了根据两个参数(超声波飞行时间变化值δtof和超声波振幅amp)来确定目标气体的浓度和压强，使用参考温度下的超声波飞行时间变化值δtof和超声波振幅amp的曲面函数。也就是说，超声波飞行时间变化值δtof和超声波振幅amp能够表达为温度、浓度和压强的函数，并且这些值受到温度影响，因此通过温度补偿来除去温度参数，能够确定浓度和压强。在温度补偿之后，超声波飞行时间变化值δtof和超声波振幅amp变为浓度和压强的函数。
将参考图4和图5来说明超声波飞行时间变化值的温度补偿。图4示出超声波飞行时间变化值表的数据结构，并且如图4所示，超声波飞行时间变化值表包括在多个浓度、压强和温度测量到的超声波飞行时间变化值。在五个测量温度的情况下，包括与图4的(a)中示出的五个表面对应的浓度、压强和温度的组合下的各个超声飞行时间变化值。为了消除温度的影响，获得使得在参考温度(例如，293k)下超声波飞行时间变化值作为浓度和压强的函数的表面函数。此时，如图4的(b)所示，可以通过选择五个代表性值来执行温度补偿，而不是所有的浓度和压强。这样的温度补偿可以使用诸如matlab的数值分析程序来执行。
参考图5，特定压强和特定浓度下的超声波飞行时间变化值响应于温度而变化，并且获取超声波飞行时间变化值的温度补偿方程，该温度补偿方程使得在所有温度下的超声波飞行时间变化值变为参考温度(例如，293k)的超声波飞行时间变化值。
相似地，参考图6，特定压强和特定浓度下的超声波振幅值响应于温度而变化，并且获取超声波振幅值的温度补偿方程，该温度补偿方程使得在所有温度下的超声波振幅值变为参考温度(例如，293k)的超声波振幅值。
随后，在已经注入目标气体的状态下检测超声波飞行时间变化值和超声波振幅值，并且同时检测此时的温度。通过将检测到的温度和检测到的超声波飞行时间变化值代入超声波飞行时间变化值的温度补偿方程，能够计算出目标气体的参考温度下的超声波飞行时间变化值，并且通过将检测到的温度和检测到的超声波振幅值代入超声波振幅值的温度补偿方程，能够计算出目标气体的参考温度下的超声波振幅值。
随后，参考温度下的超声波飞行时间变化值的曲面和参考温度下的超声波振幅值的曲面被绘制为浓度和压强的表面，并且利用所绘制的浓度-压强表面、计算出的超声波飞行时间变化值和计算出的超声波振幅值，能够计算目标气体的浓度和压强。在所确定的超声波飞行时间变化值表面和所确定的超声波振幅值表面中，能够获取浓度和压强的坐标值，以及对应的飞行时间变化值和对应的超声波振幅值。此时，使用超声波飞行时间变化值和超声波振幅值，通过使用数值分析方法能够计算浓度和压强，该方法使用被用作非线性方程的求解方法的牛顿方法。图7示出在参考温度下绘制的超声波飞行时间变化值的曲面的示例，图8示出在参考温度下绘制的超声波振幅值的曲面的示例，并且图9是示例性示出根据本发明的实施例的超声波飞行时间变化值的温度校准方程和超声波振幅值的温度校准方程所获得的超声波飞行时间变化值和超声波振幅值的示意图。在图9中，在绘制的线中示出超声波振幅值为0.09、0.11、0.13、0.14、0.16、0.18、0.20、0.22、0.23和0.24的情况，在绘制的线中示出超声波飞行时间变化值为-2.37、-1.79、-1.20、-0.62、-0.03、0.56、1.14、1.73和2.31的情况。例如，如在粗线中和在粗点线中所示，当超声波振幅值为0.14且超声波飞行时间变化值为0.56时，浓度和压强变为在两条线的交点处的水平轴和垂直轴的坐标值(即，约0.875和1.00bar)。
虽然已经结合目前被认为是实用的示例性实施例描述了本发明，但是应当理解的是，本发明不限于所公开的实施例，而是相反，旨在覆盖包括在所附权利要求的精神和范围内各种修改和等价布置。